红外检测方法

红外检测方法

红外线的划分

1672年英国著名科学家牛顿首次用三棱镜将太阳光分解为红、橙、黄、绿、青、兰、紫七色，开始了可见光光谱学的研究.英国著名天文学家赫胥尔在研究太阳光谱中各单色光的热效应时，发现最大的热效应是出现在红色光谱以外，从而发现了红外线的存在。英国著名物理学家马克斯威尔在研究电磁理论时，证实了可见光及看不见的红外线，紫外线等均属于电磁波段的一部分，从而把人们的认识统一到电磁波理论中。从波长为数千米的无线电波，

到波长为10-8A ～10-10A(1A=10-4 μm )的宇宙射线均属于电磁波的范围，而可见光谱的波长从0.4～0.76μm 仅占电磁波中极窄的一部波段。红外光谱的波段为0.76～1000μm ，要比可见光波段宽得多。为了研究和应用的方便。根据红外辐射与物质作用时各波长的响应特性和在大气中传输吸收的特性，可把红外线按波长划分为四部分：

①近红外线——波长为0.76～3 μm ；

②中红外线——波长为3～6 μm ；

③远红外线——波长为6～15 μm ；

④超远红外线——波长为15～1000 μm

目前，600 ℃以上的高温红外线仪表多利用近红外波段。600℃以下的中、低温测温仪表面热成像系统多利用中、远红外线波段，而红外线加热装置则主要利用远红外线波段。超远红外线的利用尚在开发研究中。

红外线辐射的基本定理

①辐射能 Q ——辐射源以电磁波形式所辐射的能量(J)。

②辐射功率 P ——辐射源在单位时间内向整个半球空间所发射的能量 (w ／s)。 ③辐射度M ——辐射源单位面积所发射的功率， ( W/m -2 )。一般，源的表面积A 越大，发射的功率也越多。因此辐射度M 是描述辐射功率P 沿源表面分布的特性。辐射度在某些文献上又称为辐出度或辐射出射度等。

④光谱辐射度M λ——表示在波长λ处单位波长间隔内，辐射源单位面积所发射的功率。即

单位波长的辐射度， ( W/m 2·μm )，通常辐射源所发出的红外电磁波都是由多种波长成分所组成(全波辐射)。前述的辐射度M 是描述全波辐射的，因此又称为全辐射

度。而光谱辐射度则是描述某一特定波长成分的辐射度。而光谱辐射度则是描述某一特定波长成分的辐射度。

⑤黑体的概念——黑体是为了研究方便而引入的一种理想物体。它定义为能在任何温度下将辐射到它表面上的任何波长的热辐射能全部吸收；并与其它任何物体相比，在相同温度和相同表面积的情况下其辐射功率为最大的一种物体。黑体辐射可用黑体炉来模拟。对 此，19世纪末叶的物理学家们曾做了大量实验工作，为非黑体辐射的研究奠定了基础。 ⑥比辐射率 ——定义为在相同温度及相同的条件下，实际物体(非黑体)与黑体的辐射度的比值，即：

黑体的辐射度实际物体的辐射度==b M M ε

有的文献还定义了光谱比辐射率 黑体的光谱辐射度实际物体的光谱辐射度==

b λλεM M Q P t ∂=∂P M A ∂=∂M M λλ∂=∂

实验证明，比辐射率与光谱比辐射率是相等的，故工程上常将两者不加区分地均称为比辐射率。比辐射率的引入在黑体辐射和非黑体辐射研究之间架起了一座桥粱．因此在红外技术的理论和应用是一个十分重要的数据，其值随材料、温度、表面状况及波长等因素而变化。可由有关手册或文献中查到。但在实用上多数情况下需要通过实测而得到。

A 普朗克(Planck)定律

式中： M λb ——黑体的光谱辐射度

C ——光速，c= 3×108 （m/s ）；

h ——普朗克常数，h=6.63×10-34(W ·S 2)

k ——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23（J/K ）

T ——热力学温度，（K ）

λ——红外辐射波长，（ μm ）

普朗克定律揭示了黑体单位面积辐射功率,沿波长分布和随温度变化的规律。

B 维恩(Wien)位移定理 由普朗克定律，令λλd d b M =0可求得辐射曲线峰值对应的波长m λ与温度T 的关系：

m λT=2898(K ∙m μ)

此式称为维恩位移定理。它定量地说明了当温度升高时普朗克曲线峰值对应波长 m λ左移的

幅度。

C 斯蒂藩-波尔茨曼定律(Stefan-Boltzmann)

波尔茨曼定律描述了全辐射度M 与温度T 的关系，可由普朗克定律导出：

经参数代换并积分后可得： 此式称为斯蒂藩-波尔茨曼定律。它描述了黑体全辐射度与绝对温度间的关系。

红外线辐射在大气中的传输

地球大气是由多种气体分子和悬浮微粒组成的混合体。其中有些多原子的气体组成分子对红外线某些特定的波长有选择性地具有强烈的吸收作用。例如二氧化碳对红外线在2.7 区、4.3m μ区及11.4～20m μ区间出现强吸收带。水蒸气在1.87m μ区、2.70 m μ 区和6.70 m μ区出现强吸收带。一氧化碳在4.6m μ区有强吸收带。此外，甲烷、臭氧等也具有特定的吸收带。这些气体在空间组成了吸收屏障而使红外辐射衰减。空气中的悬浮微粒，特别是在污染的城市大气中则是通过散射作用而使红外辐射衰减。任何红外仪器都是在大气中工作的，因此大气对红外辐射的影响是必须加以考虑的实际问题。

由图可见，大气有三个窗口。即1～2.5m μ 、3～5 m μ和8～13 m μ 波段对红外线透射较好。这三个窗口分别位于近、中和远红外区内。它们对红外技术应用中显得特别重要，各种红外仪器的工作波段，原则上都应选在这三个波段的窗口之内。

红外检测技术的原理及其优势

红外检测属于无损检测的范畴.无损检测是一门新兴的综合性科学技术，无损检测是以不破坏被检目标的使用性能为前提，应用被人类已知的物理和化学知识，对各种工程材料、()

2b 5hc/kT 2hc M e 1λλπλ=-()2

b 5hc/kT 002h

c M M e 1

d d λλπλλλ∞∞==-⎰⎰42M T (W /m )

b σ=